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隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大、電壓等級(jí)的提高，對(duì)供電安全可靠性要求也更加嚴(yán)格，變電站正常運(yùn)行成為保障電力系統(tǒng)供電安全的重要環(huán)節(jié)。目前中國電網(wǎng)主要采用人工巡檢作業(yè)方式，即采用人工巡視、手工記錄的模式對(duì)運(yùn)行中的變電設(shè)備進(jìn)行檢查。人工巡檢存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、巡檢質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，惡劣氣象條件對(duì)巡檢人員身體也存在危害。一方面人工巡檢問題和劣勢不斷顯現(xiàn)，另一方面電力巡檢需求還在不斷釋放，兩方面的矛盾，讓電力巡檢機(jī)器人迎來了發(fā)展良機(jī)。
1.巡檢系統(tǒng)組成
機(jī)器人巡檢系統(tǒng)由機(jī)器人本體、充電系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、本體監(jiān)控后臺(tái)及輔助設(shè)施組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
(1)使用無軌導(dǎo)航方式，實(shí)現(xiàn)快速部署，可方便站間調(diào)配;
(2)采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境，提供高清晰度紅外及可見光視頻圖像，測溫精度達(dá)0.5℃;
(3)采用基于激光雷達(dá)和慣導(dǎo)組合的精確地形匹配的導(dǎo)航方案，定位精度達(dá)到1 cm;
(4)超聲防撞，提供高可靠性安全保障，可原地全方位運(yùn)動(dòng)，為巡檢提供更強(qiáng)的易用性。
2.機(jī)器人本體
機(jī)器人本體由外形結(jié)構(gòu)部件、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)組成。
1)外形結(jié)構(gòu)部件
機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以簡潔實(shí)用、硬朗可靠為基本原則，配合良好的平面切割技術(shù)，兼顧重量、穩(wěn)定性和防護(hù)等級(jí)要求;表面采用噴塑和陽極氧化工藝處理，具有較強(qiáng)的防腐性能;機(jī)器人結(jié)構(gòu)大量采用鋁合金材料，重量小于100 kg。
2）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、減速器、車輪、超聲波避障模塊、手動(dòng)遙控模塊、狀態(tài)指示燈等組成
為適應(yīng)變電站戶外運(yùn)行需求，機(jī)器人車體選用輪式四輪驅(qū)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用PID控制及PMSM矢量控制算法進(jìn)行車體控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制和轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)，保證了控制算法的成熟性和穩(wěn)定性。4輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)及柔性匹配控制實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)彎半徑，原地360°旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)場路徑規(guī)劃靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用低磁阻大扭矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、效率高、可靠性好，機(jī)器人最大運(yùn)行速度可達(dá)1.1
m/s，可越過10 cm障礙物、爬坡能力達(dá)到25°。
3）供電系統(tǒng)
(1)電池選型。采用磷酸鐵鋰電池供電，電池額定電壓36 V，電池容量50 Ah，為滿足電池充放電及儲(chǔ)運(yùn)狀態(tài)下的安全要求，電池安裝在防爆、阻燃材料制作的專用電池箱內(nèi)。
(2)電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。鋰電池組電源管理系統(tǒng)(BMS)采用集中式管理。BMS由主控單元(CMU)和若干個(gè)監(jiān)控單元(BMU)組成。BMU檢測和均衡管理電池模塊的電壓和溫度，并將數(shù)據(jù)傳給CMU。CMU檢測鋰電池組的總電壓、總電流及絕緣度，負(fù)責(zé)與機(jī)器人控制系統(tǒng)及充電機(jī)通信，對(duì)電池組充放電進(jìn)行保護(hù)。
(3)BMS性能改進(jìn)。鋰電池間各個(gè)參數(shù)不可避免地存在一些微小差異，由于內(nèi)阻、自放電影響及充放電次數(shù)增多，電池間參數(shù)差異會(huì)放大，將減少鋰電池壽命甚至產(chǎn)生電源安全隱患。通過BMS實(shí)施均衡管理，電池組將保持較好的一致性，可延長電池壽命和降低成本，確保電池一次充電后續(xù)航能力不小于5
h，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。
4）傳感器系統(tǒng)
(1)可見光探測?？梢姽鈹z像機(jī)用于觀察設(shè)備外觀和讀取儀表數(shù)值，具備自動(dòng)或手動(dòng)對(duì)焦功能，視頻分辨率達(dá)1
080
p，光學(xué)變焦倍數(shù)達(dá)30倍。采用自動(dòng)光圈設(shè)計(jì)，通過檢測視頻信號(hào)平均值，自動(dòng)控制鏡頭光圈的擴(kuò)大或縮小，即可在不同照度下獲得標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)電平。機(jī)器人云臺(tái)上安裝了強(qiáng)光LED照明燈和雨刷器，實(shí)現(xiàn)可見光夜間和雨天探測。照明燈和雨刷器由本地監(jiān)控后臺(tái)或遠(yuǎn)程集控后臺(tái)進(jìn)行控制。
(2)紅外熱像探測。紅外熱像儀的紅外探測器接收物體輻射熱量，把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)后續(xù)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，CPU處理后在圖像顯示器上顯示。在實(shí)際測溫中，首先采用高精度黑體進(jìn)行標(biāo)定，找出黑體溫度與圖像灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。紅外熱成像儀具備自動(dòng)對(duì)焦功能，可在實(shí)時(shí)影像中疊加顯示溫度最高點(diǎn)位置及溫度值，紅外熱像儀熱靈敏度優(yōu)于50
mK，測溫精度優(yōu)于2 K。
(3)聲音探測。機(jī)器人安裝有擴(kuò)音器和麥克，可實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控后臺(tái)雙向語音對(duì)講和現(xiàn)場聲音采集。同時(shí)，通過采集運(yùn)行設(shè)備的正常和異常聲音，提取出聲音的特征參數(shù)，建立正常和異常聲音模型庫。將機(jī)器人采集的噪聲數(shù)據(jù)傳送到控制后臺(tái)，基于音頻診斷軟件和模型庫進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別，判斷設(shè)備異常聲音，并發(fā)出警報(bào)。
現(xiàn)有的變電站巡檢機(jī)器人自動(dòng)化和智能化程度不高，部分使用用GPS定位、電磁導(dǎo)航或者視覺導(dǎo)航，本公司產(chǎn)品可以采用磁導(dǎo)航與視覺導(dǎo)航相配合從而精確定位。
聲音分析軟件主要由信號(hào)處理、信號(hào)特征提取和信號(hào)顯示等部分組成。信號(hào)處理部分包括端點(diǎn)檢測、分幀和加窗。端點(diǎn)檢測用來檢測輸入聲音信號(hào)中的有效語音成分，采用倒譜特征法;分幀是將原始語音信號(hào)分為小段，并做幀移處理;加窗是在分幀之后使頻譜平滑、防止高頻泄漏。信號(hào)特征提取過程包括FFT求取功率譜、帶通濾波器組、求取對(duì)數(shù)能量、離散余弦變換和提取一階差分MFCC系數(shù)。顯示部分能夠顯示被測聲音中各個(gè)頻率的數(shù)字化信號(hào)圖形。
(4)全方位智能云臺(tái)。云臺(tái)安裝在機(jī)器人平臺(tái)上方，用于承載可見光、紅外以及聲音傳感器。云臺(tái)以直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使云臺(tái)具有水平和垂直2個(gè)相互獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)自由度。云臺(tái)俯仰框裝有紅外和可見光光窗。云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制核心部分采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片，該芯片負(fù)責(zé)水平和俯仰2個(gè)自由度的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制以及與接口轉(zhuǎn)換模塊通信。云臺(tái)主要性能指標(biāo)滿足如下要求：云臺(tái)預(yù)置位數(shù)量≥10
000個(gè)，垂直運(yùn)動(dòng)范圍–30°~+90°，水平運(yùn)動(dòng)范圍0°~+360°連續(xù)，定位精度±0.1°，水平旋轉(zhuǎn)速度0.01~60°/s，垂直旋轉(zhuǎn)速度0.01~30°/s。
1.2.5 導(dǎo)航系統(tǒng)
機(jī)器人依靠激光雷達(dá)、慣導(dǎo)、里程計(jì)綜合導(dǎo)航，利用多傳感器融合技術(shù)，得到車體定位信息，實(shí)現(xiàn)按照預(yù)設(shè)路線和?？课恢米灾餍凶吆屯？抗δ?。激光雷達(dá)選用SICK公司LMS511高性能室外型激光掃描雷達(dá)，測量距離達(dá)80
m，掃描范圍190°，分辨率0.166 7°，掃描頻率高達(dá)25 Hz?？稍讪C30 ℃~+55
℃惡劣環(huán)境中工作。慣導(dǎo)可提供車體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度信息，分辨率0.05°，誤差1.5°。里程計(jì)信息包括車體當(dāng)前坐標(biāo)，由車體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和4輪轉(zhuǎn)速位移等信息計(jì)算得到，誤差在3%以內(nèi)。
3. 充電系統(tǒng)
充電房由充電柜、充電座、無線通信設(shè)備和自動(dòng)卷簾門組成。充電柜和充電座用于機(jī)器人自動(dòng)對(duì)接充電，無線通信設(shè)備選用與本地監(jiān)控后臺(tái)相同的無線網(wǎng)橋和天線，天線安裝在充電房的頂部。
機(jī)器人工作狀態(tài)分為巡檢、充電、空閑等3種。收到巡檢命令后，機(jī)器人檢查電池電量是否充足，充足即進(jìn)入巡檢狀態(tài)，開始執(zhí)行巡檢任務(wù)，否則拒絕執(zhí)行并報(bào)警。巡檢完成后，機(jī)器人返回充電房。機(jī)器人在巡檢中實(shí)時(shí)檢測電池電量，如果電量不足則返回充電房充電，充電過程完全自動(dòng)化。
4.無線傳輸系統(tǒng)
機(jī)器人通過無線網(wǎng)橋與本地監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向、實(shí)時(shí)信息交互。信息交互內(nèi)容包括機(jī)器人本體狀態(tài)和被檢測設(shè)備圖像、語音和指示性數(shù)據(jù)。機(jī)器人采用5.8
GHz頻段高質(zhì)量等級(jí)的室外專用數(shù)字無線網(wǎng)橋，實(shí)現(xiàn)長距離多路視頻、音頻以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，最長傳輸距離達(dá)10
km，數(shù)傳誤碼率≤10-6，數(shù)傳時(shí)延≤20 ms，圖傳時(shí)延≤300
ms，由于此頻段的無線網(wǎng)橋無需申請(qǐng)無線執(zhí)照，比其他有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更方便部署。機(jī)器人通過無線網(wǎng)橋接收監(jiān)控后臺(tái)的控制指令，進(jìn)行云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、設(shè)備檢測、車體運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)充電，并檢測機(jī)器人狀態(tài)和各類預(yù)警、告警信息并進(jìn)行上報(bào)。在通信中斷、接收的報(bào)文內(nèi)容異常等情況下，圖像、語音、數(shù)據(jù)不丟失，同時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出告警信息，并在通信恢復(fù)后自動(dòng)續(xù)傳。
5. 本地監(jiān)控后臺(tái)
本地監(jiān)控后臺(tái)由計(jì)算機(jī)、無線通信設(shè)備、監(jiān)控分析軟件和數(shù)據(jù)庫等組成。機(jī)器人與監(jiān)控后臺(tái)通過無線局域網(wǎng)連接，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，傳輸內(nèi)容如圖5所示。監(jiān)控后臺(tái)軟件采用C++語言開發(fā)，基于.NET架構(gòu)，可以在Windows的各個(gè)版本操作系統(tǒng)跨平臺(tái)運(yùn)行，軟件組成
(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)查看機(jī)器人運(yùn)行過程中的圖像信息、車體狀態(tài)信息、車體行進(jìn)信息、電池狀態(tài)信息、巡檢現(xiàn)場氣象信息、巡檢任務(wù)信息等。
(2)任務(wù)規(guī)劃模塊分為例行、特巡任務(wù)規(guī)劃和遙控巡檢3種模式，可隨時(shí)進(jìn)行任務(wù)模式的切換。根據(jù)變電站巡檢需求，例行任務(wù)規(guī)劃可提前生成若干巡檢任務(wù)，每天定期巡檢;特巡任務(wù)規(guī)劃可實(shí)時(shí)生成臨時(shí)巡檢任務(wù)，執(zhí)行特殊巡檢任務(wù)。
(3)遠(yuǎn)程遙控模塊可以實(shí)時(shí)遙控機(jī)器人到規(guī)定地點(diǎn)做規(guī)定動(dòng)作。該模塊可通過手柄控制云臺(tái)方位和俯仰，控制車體速度和方向。
(4)配置中心模塊包括設(shè)備配置、地圖配置和基本配置3個(gè)子界面。設(shè)備配置界面包括紅外配置、可見光配置、車體配置和云臺(tái)配置。
(5)歷史查詢和數(shù)據(jù)分析模塊可實(shí)現(xiàn)可見光圖像、紅外圖像、聲音及表計(jì)讀數(shù)、設(shè)備位置狀態(tài)、注油設(shè)備油位等信息的存儲(chǔ)、診斷和查詢。
6.環(huán)境適應(yīng)性
機(jī)器人按照全國各地區(qū)變電站極端環(huán)境氣候設(shè)計(jì)，針對(duì)暴風(fēng)大雨、濕熱、高海拔、寒冷等惡劣氣候條件，變電站強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場環(huán)境，通過“三防”設(shè)計(jì)、防風(fēng)設(shè)計(jì)、電磁兼容性、抗震設(shè)計(jì)以及溫度適應(yīng)性等設(shè)計(jì)，確保機(jī)器人在不同氣候條件下長期可靠、安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1) “三防”設(shè)計(jì)
機(jī)器人外殼采用靜電噴涂工藝，具有防腐蝕、防水、防氧化三防功能，機(jī)器人內(nèi)部傳感、控制均采用模塊化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。機(jī)器人采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有防水、防塵功能。整機(jī)滿足GB 4208中IP54的設(shè)計(jì)要求，最大涉水深度大于10 cm。
2) 防風(fēng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)，設(shè)備重心低，有利于機(jī)器人在地面上穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)和密封性高，具備抵抗10級(jí)風(fēng)能力。
3) 電磁兼容設(shè)計(jì)
機(jī)器人電子元器件，電源、通信等模塊采用屏蔽、隔離處理，關(guān)鍵信號(hào)通過阻抗匹配設(shè)計(jì)、各設(shè)備模塊采用等電勢共地設(shè)計(jì)，輸入輸出接口的濾波和保護(hù)設(shè)計(jì)等技術(shù)確保各模塊的信號(hào)完整性、安全和可靠性。
4）防振動(dòng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人在變電站巡檢過程中，由于受路面環(huán)境的影響，不可避免地會(huì)有一定程度的振動(dòng)，針對(duì)可能出現(xiàn)的固定螺絲松動(dòng)、部件斷裂等問題，采取以下防振措施：(1)對(duì)所有緊固件增加彈墊、齒形墊圈、涂加螺紋膠及采用防松螺母等設(shè)計(jì)提高螺栓螺釘緊固效果及緊固強(qiáng)度;(2)對(duì)部件斷裂部分優(yōu)化設(shè)計(jì)提高部件強(qiáng)度;(3)增加防護(hù)套、減振彈簧等措施，減緩?fù)饬?duì)管路連接部位的作用。
5） 溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)
為保證在炎熱或寒冷環(huán)境下正常工作和長期儲(chǔ)藏，機(jī)器人所有部件和元器件均選用寬溫度范圍的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品;在云臺(tái)護(hù)罩內(nèi)安裝排熱風(fēng)扇和加溫板，可自動(dòng)對(duì)護(hù)罩內(nèi)環(huán)境進(jìn)行排熱或加溫，有利于護(hù)罩內(nèi)可見光相機(jī)和紅外探測器在不同溫度環(huán)境下正常工作。機(jī)器人工作環(huán)境溫度為–25
℃~+55 ℃，存儲(chǔ)環(huán)境溫度為–30 ℃~+65 ℃，工作和存儲(chǔ)環(huán)境相對(duì)濕度為5%~95%(無冷凝水)。
華瑞通科技機(jī)器人分為三類：輪式電力巡檢機(jī)器人、軌道電力巡檢機(jī)器人、履帶式電力巡檢機(jī)器人。
軌道智能巡檢機(jī)器人：室內(nèi)導(dǎo)軌型智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜紅外測溫、局放檢測、柜面及保護(hù)裝置信號(hào)狀態(tài)指示等的全自動(dòng)識(shí)別，繼保室保護(hù)屏柜壓板狀態(tài)、空開位置、電流端子狀態(tài)、裝置信號(hào)燈指示以及數(shù)顯儀表的全自動(dòng)識(shí)別讀數(shù)。系統(tǒng)采用導(dǎo)軌滑觸式供電方式，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷巡視，也可自定義周期和設(shè)備進(jìn)行特殊巡視。
智能電力巡檢機(jī)器人除了可以完成電力巡檢以外還可以應(yīng)用于能源站、橋梁隧道、化工、港口、管道、無人工廠、居住社區(qū)、城市等多種場景，能有效的降低成本、能以高效率的智能巡檢方式解決巡檢難題，提升巡檢的效率和精度。
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